(57)【要約】【課題】  大口径で低転位密度の化合物半導体単結晶を高い生産性と高い歩留で提供する。【解決手段】  縦型の単結晶成長用容器１４内に化合物半導体の種結晶１５と原料を収容し、原料と種結晶の一部を加熱融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液１８を作製し、種結晶の未融解部分から原料融液側に向かって結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型の単結晶成長用容器内に化合物半導体の種結晶と原料を収容し、前記原料と前記種結晶の一部を加熱融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、前記種結晶の未融解部分から前記原料融液側に向かって結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、前記原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記原料融液の少なくとも一部を融点より１０℃以上低温にして、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記原料融液の少なくとも一部を融点より３０℃以上低温にして、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記原料融液の少なくとも一部を融点より５０℃以上低温にして、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記種結晶と前記融液との間の固液界面近傍をヒータで加熱することによって、前記種結晶に接触する前記融液の温度を融点よりも高温に保持し、それよりも上方に位置する前記融液の温度を融点よりも低温にして、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記容器の外壁面を融点以上の温度に加熱することを特徴とする請求項５に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項７】
融点以上の温度に加熱する領域を前記容器の縦方向に１２０ｍｍ以下の領域とすることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項８】
融点以上の温度に加熱する領域を前記容器の縦方向に６０ｍｍ以下の領域とすることを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記原料融液の最上部の温度が最も低くなるような温度分布を形成して、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記原料融液の温度がほぼ均一になるような温度分布を形成して、前記種結晶の未融解部分から前記融液側に向かって結晶成長を進行させるステップを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記縦型の単結晶成長用容器を加熱手段に対して相対的に下方に移動させることによって、下方から上方に向かって結晶成長を進行させることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１２】
前記容器内で前記原料を収容するための容器胴部の内径が５０ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１３】
前記結晶成長の速度は５ｍｍ／ｈよりも大きくされることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１４】
前記結晶成長の速度は１０ｍｍ／ｈよりも大きくされるとを特徴とする請求項１３に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１５】
前記種結晶は前記容器内で前記原料を収容するための容器胴部の内側断面積の５０％以上の断面積を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１６】
前記種結晶は前記容器胴部の内側断面積の７５％以上の断面積を有することを特徴とする請求項１５に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１７】
前記容器は前記種結晶を収容するための種結晶収容部と前記原料を収容するための容器胴部を有し、前記種結晶収容部から前記容器胴部に至る増径部の傾斜角が前記容器の中心軸に対して３０°以下であることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１８】
前記増径部の傾斜角が前記容器の中心軸に対して１５°以下であることを特徴とする請求項１７に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項１９】
前記容器の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配を５℃／ｃｍ未満にして結晶成長を進行させることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２０】
前記温度勾配を２℃／ｃｍ未満にすることを特徴とする請求項１９に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２１】
前記結晶成長の開始から終了まで、その成長した単結晶の温度を絶対温度において融点の０．８４倍以上に維持することを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２２】
前記結晶成長の開始から終了まで、その成長した単結晶の温度を絶対温度において融点の０．９４倍以上に維持することを特徴とする請求項２１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２３】
前記容器が熱分解窒化ホウ素製であることを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２４】
前記容器と前記融液との間に酸化ホウ素の被膜が介挿されていることを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２５】
前記容器内に前記種結晶と前記原料と共に酸化ホウ素をも収容することを特徴とする請求項１から２４のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２６】
前記容器に前記種結晶と前記原料を収容するに先だって、その容器において少なくとも前記融液と接触すると予定される部分に酸化ホウ素の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１から２５のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２７】
前記化合物半導体がヒ化ガリウム、リン化インジウム、またはリン化ガリウムであることを特徴とする請求項１から２６のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２８】
化合物半導体の種結晶と原料を収容するための縦型の単結晶成長用容器と、前記原料と前記種結晶の一部を加熱融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製するための加熱手段とを備えていて、前記種結晶の未融解部分から前記原料融液側へ結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造装置において、相対的に上方に配置された第一のヒータと相対的に下方に配置された第二のヒータを少なくとも含み、前記第一のヒータの温度を前記第二のヒータの温度よりも低くすることによって、前記原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、下方から上方に向かって結晶成長を進行させ得ることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項２９】
前記第一のヒータと前記第二のヒータとの間に、少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板が配置されていることを特徴とする請求項２８に記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３０】
前記第一のヒータのさらに上方に少なくとも１つのヒータが配置されていることを特徴とする請求項２８または２９に記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３１】
前記第二のヒータのさらに下方にその第二のヒータよりも温度を低く設定された第三のヒータが配置されていることを特徴とする請求項２８から３０のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３２】
前記第二のヒータと前記第三のヒータとの間に、少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板が配置されていることを特徴とする請求項３１に記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３３】
前記第三のヒータのさらに下方に少なくとも１つのヒータが配置されていることを特徴とする請求項３１または３２に記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３４】
前記第二のヒータが複数のサブヒータによって構成されていることを特徴とする請求項２８から３３のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３５】
前記複数のサブヒータの間に少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板が配置されていることを特徴とする請求項３４に記載の化合物半導体単結晶の製造装置。
【請求項３６】
１００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、５×１０16ｃｍ-3以上で５×１０17ｃｍ-3未満のシリコン濃度を有することを特徴とするｎ型ヒ化ガリウム基板。
【請求項３７】
５０ｃｍ-2未満の平均転位密度を有することを特徴とする請求項３６に記載のｎ型ヒ化ガリウム基板。
【請求項３８】
１００ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項３６または３７に記載のｎ型ヒ化ガリウム基板。
【請求項３９】
１２５ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項３８に記載のｎ型ヒ化ガリウム基板。
【請求項４０】
１０００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、５×１０15ｃｍ-3未満のシリコン濃度と、１×１０3Ωｃｍ以上の比抵抗を有することを特徴とする半絶縁性ヒ化ガリウム基板。
【請求項４１】
５００ｃｍ-2未満の平均転位密度を有することを特徴とする請求項４０に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。
【請求項４２】
１×１０14ｃｍ-3以上のカーボンが添加されていることを特徴とする請求項４０または４１に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。
【請求項４３】
１５０ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項４０から４２のいずれかに記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。
【請求項４４】
２００ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項４３に記載の半絶縁性ヒ化ガリウム基板。
【請求項４５】
１００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、１×１０17ｃｍ-3以上で３×１０18ｃｍ-3未満の硫黄濃度を有することを特徴とするｎ型リン化インジウム基板。
【請求項４６】
５０ｃｍ-2未満の平均転位密度を有することを特徴とする請求項４５に記載のｎ型リン化インジウム基板。
【請求項４７】
１０００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、１×１０17ｃｍ-3以上で５×１０18ｃｍ-3未満の錫濃度を有することを特徴とするｎ型リン化インジウム基板。
【請求項４８】
５００ｃｍ-2未満の平均転位密度を有することを特徴とする請求項４７に記載のｎ型リン化インジウム基板。
【請求項４９】
１００ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項４５から４８のいずれかに記載のｎ型リン化インジウム基板。
【請求項５０】
１２５ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項４９に記載のｎ型リン化インジウム基板。
【請求項５１】
１０００ｃｍ-2未満の転位密度と１×１０3Ωｃｍ以上の比抵抗を有し、鉄がドープされていることを特徴とする半絶縁性リン化インジウム基板。
【請求項５２】
５００ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項５１に記載の半絶縁性リン化インジウム基板。
【請求項５３】
鉄が１×１０15ｃｍ-3以上添加されていることを特徴とする請求項５１または５２に記載の半絶縁性リン化インジウム基板。
【請求項５４】
１００ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項５１から５３のいずれかに記載の半絶縁性リン化インジウム基板。
【請求項５５】
１５０ｍｍ以上の直径を有することを特徴とする請求項５４に記載の半絶縁性リン化インジウム基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などの光電子分野やトランジスタなどの電子分野に利用されるＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶、またはＣｄＴｅやＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体単結晶としては、たとえば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶、さらにテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体単結晶があげられる。
【０００３】
これらの化合物半導体単結晶は、従来、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）、ＶＢ法とＶＧＦ法を併用する方法などのさまざまな工業的方法により製造されている。これらのうちでＶＢ法とＶＧＦ法（それらを併用する方法を含む）は、他の製法では製造することができない低転位密度の結晶を製造できるので、近年特に注目を集めている。
【０００４】
ＶＢ法は、たとえば非特許文献１に記載されているように、化合物半導体原料を収容した坩堝をヒータなどの加熱手段を有する炉内に設置して原料を融解したのち、加熱手段を上昇させるか坩堝を下降させることによって、坩堝の下端に設置した種結晶側から融液を固化させることによって単結晶を成長させる方法である。坩堝には、一般に熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）や石英などの材料が使用される。これに対して、ＶＧＦ法は、たとえば特許文献１に記載されているように、加熱手段と坩堝の位置関係を固定し、加熱手段の温度プロファイルを変化させることによって、種結晶側から温度を降下させて単結晶を成長させる方法である。
【０００５】
ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のＶＢ法やＶＧＦ法による単結晶成長では、高蒸気圧成分の解離蒸発を防ぐ必要がある。そこで、原料の入った坩堝を石英アンプルに封入密閉してアンプル内の蒸気圧をコントロールする方法や、高耐圧のステンレス製チャンバ内で原料融液表面を酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）などの液体封止剤で覆って、さらにアルゴンガスや窒素ガスで加圧封止することによって高蒸気圧成分が原料融液から解離蒸発するのを抑制する方法などが行われている。
【特許文献１】特表２００２−５４００５１号公報
【特許文献２】特開平５−１２４８８７号公報
【非特許文献１】干川圭吾、半導体研究３５、化合物半導体の結晶育成と評価その６（工業調査会、１９９１年発行）
【非特許文献２】T. Kawase, M. Tatsumi and T. Nishida, Crystal Growth Technology, Edited by H. J. Scheel and T. Fukuda, 2003 John Wiley & Sons, Ltd., p364-365.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＶＢ法やＶＧＦ法などのように、縦型の単結晶成長用容器に化合物半導体の種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、そして種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる単結晶の製造方法では、原料融液を融点より高温にして、融点温度位置に沿って形成される固液界面から種結晶側に向かって温度が低くなるように温度勾配が形成される。
【０００７】
非特許文献２では、固液界面で発生する凝固潜熱をＱL、固液界面から結晶側へ流出する熱流束をＱOUT、融液側から固液界面へ流入する熱流束をＱIN、固液界面近傍において結晶側面から結晶に流入する熱流束をＱRで表す時、固液界面の形状は下記（１）式の熱流束バランスに依存し、固液界面の形状はＱR＞０の時に融液側に向かって凸形状になってＱR＜０の時に凹形状になると記載されている。化合物半導体の結晶成長においては、固液界面の形状が凹になればリニエジ（転位列）などの結晶欠陥が発生することが知られている。非特許文献２においては、固液界面の形状はできるだけ平坦にすることが好ましいとされ、下記式（２）の関係を満足させることによって固液界面が融液側へ凸になるように（凹化しないように）、ＱL、ＱIN、およびＱOUTを調整する必要があると記載されている。また、「成長速度を小さくすることによって固化潜熱ＱLを減少させることは、凸形状の固液界面の実現に有効であるが、結晶の生産性を低下させるという欠点がある。したがって、ＱINとＱOUTを調整することによって、凸形状の固液界面を実現するのが好ましい。」と記載されている。具体的には、ＱINを小さくするかＱOUTを大きくする必要がある。
ＱR ＝ ＱOUT −（ＱL ＋ ＱIN）                     （１）
ＱR ＝ ＱOUT −（ＱL ＋ ＱIN） ＞ ０               （２）
融液の温度を融点より高温に保ったまま結晶成長を行う従来の方法では、ＱINを小さくすることには限界があるので、結晶側の温度勾配大きくすることによってＱOUTを大きくして、（２）式の関係を満足させる必要がある。非特許文献２ではＬＥＣ法における熱流束バランスが示されているが、ＶＢ法やＶＧＦ法においては固体と液体の配置が上下反対になっているだけで、熱流束バランスに関する考え方は同じである。
【０００８】
化合物半導体結晶の低転位密度化は、結晶品質上の重要な課題である。また、結晶の成長速度が速いほど製造コストを低くできるので、成長速度の増加も結晶製造における重要な課題である。ところが従来の製法では、低転位密度化と成長速度の増加という２つの条件を同時に満足させることは不可能であった。その理由は、以下のように考えられる。
【０００９】
すなわち、結晶成長速度を大きくするほど固化潜熱ＱLの単位時間あたりの発生量が大きくなるので、適正な固液界面形状を維持しながら結晶成長させるためにはＱOUTを大きくすることが必要になる。ＱOUTを大きくするためには結晶の縦方向の温度勾配を大きくする必要があるが、このことは結晶内部に大きな熱応力を生じさせる。結晶内部に生じた熱応力は転位を発生または増殖させて、結晶の転位密度を増加させるので、転位密度を低減させることは不可能である。また、ＱOUTの増加には限界があるので、適正な固液界面形状を維持しながら結晶成長速度を大きくすることは不可能である。さらに、単位時間当たりの固化潜熱発生量が大きい大口径の結晶成長では、このような転位密度や成長速度の制約が特に顕著になると考えられる。直径１００ｍｍのＧａＡｓ結晶の成長速度と転位密度の関係では、たとえば成長速度４ｍｍ／ｈの場合の転位密度は２，０００〜５，０００ｃｍ-2であるが、成長速度８ｍｍ／ｈの場合の転位密度は２０，０００〜５０,０００ｃｍ-2である。また、直径１５０ｍｍのＧａＡｓ結晶の成長速度と転位密度の関係では、たとえば成長速度３ｍｍ／ｈの場合の転位密度は３，０００〜１０，０００ｃｍ-2であるが、成長速度６ｍｍ／ｈの場合の転位密度は３０，０００〜１００,０００ｃｍ-2である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、ＶＢ法やＶＧＦ法などによって、縦型の単結晶成長用容器に化合物半導体の種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、種結晶の未融解部分から原料融液側に向かって結晶成長させる単結晶の製造方法において、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にしてもその融液内に新たな固化相が発生しないことを見出した。さらに、原料融液の一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させたところ、融液内に新たな孤立した固化相を発生させることなく種結晶から融液の最上部まで一方向に結晶成長が進行して、結晶粒界のない完全な単結晶を成長させ得ることを見出した。
【００１１】
本発明者はまた、このように原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にすることによって、結晶成長軸方向の温度勾配を従来以上に小さくして結晶成長させ得ることを見出し、さらにその結果として、従来の製法では実現不可能であった非常に転位密度の低い結晶を成長させ得ることを見出した。また、このように温度勾配を小さくした場合においても、なお従来以上に速い速度で単結晶を成長させ得ることを見出した。すなわち、結晶側の温度勾配を小さくして結晶側への放熱量を減らしても固液界面形状を適正な形状に維持することができ、リニエジなどの結晶欠陥を発生させることなく大きな成長速度で単結晶を育成し得ることを見出したのである。
【００１２】
実質的に化学量論組成に調整した原料融液の少なくとも一部を融点以下の温度にすれば、融点以下の温度の部分は固化すると考えるのが一般的である。融液が融点よりも低温の状態になることを“過冷却状態”という。過冷却状態にある融液の温度と融点との差を“過冷却度”と呼ぶ。通常、過冷却度はゼロに近く、固体と液体の界面はほぼ融点温度に等しいと考えてよい。しかし、本願発明者は、化合物半導体、たとえばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、さらにはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の単結晶成長においては、原料融液部分を過冷却状態にしても固化相が容易には発生しないことを見出した。このように、融液の状態を保ったままで融点より低温にしても、融液内に新たな固化相が発生しない理由は、以下のように考えられる。
【００１３】
融液内に固化相を出現させるためには、融液内に結晶核を発生させるために必要な条件を満足させる必要がある。その条件の一つが融液の温度であり、融液温度が低いほど結晶核が発生し易い。しかし、偶然に結晶核の前段階であるエンブリオ（萌芽）が発生しても、その大きな表面エネルギーのために大部分は消失してしまう。原料融液を過冷却状態にしても、容易には融液内に新たな固化相が発生しないのは、このような結晶核発生のメカニズムと密接な関係があると考えられる。既に固相が存在する場合、たとえば種結晶を用いて単結晶を成長させるような場合には、新たな結晶核を発生させる必要がないので大きな過冷却状態は生じないと考えられる。
【００１４】
融液中において、結晶核は、通常はその融液を収容している容器の内壁上に発生し易い。これは融液内部に結晶核が３次元的に発生する場合に比べて、容器壁に付着するように２次元的に発生する方が結晶核の表面エネルギーが小さくなり、核が安定成長し易いからである。したがって容器壁に結晶核が発生する場合の過冷却度の大きさは、容器壁の状態に大きく依存すると考えられる。本発明者は、縦型の単結晶成長用容器として熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）製容器を用いた場合に、容器壁に結晶核が発生しにくくて大きな過冷却度を実現し易いこと、またその容器と融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されている場合に、さらに大きな過冷却度が実現できることを見出した。本発明者が行った実験では、ｐＢＮ製の容器を用いた場合、融液の温度を融点よりも５０℃以上低下させても融液中に新たな固化相が発生しなかった。また、ｐＢＮ製容器と原料融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されている場合には、融液の温度を融点よりも１００℃以上低下させても融液中に新たな固化相が発生しなかった。このように、本発明者は、化合物半導体の原料融液を過冷却状態にしても固化相が発生しない条件を見出して本発明に至ったのである。
【００１５】
非特許文献２と同様に本発明における固液界面近傍の熱流束バランスを考えれば、以下のように理解することができる。上述したように、従来の方法では固液界面の形状は（１）式の熱流束バランスに依存し、（２）式または（２）式を変形して得られる下記（２ａ）式の関係を満足するようにＱL、ＱOUT、およびＱINをコントロールする必要がある。
ＱOUT ＞ ＱL ＋ ＱIN                       （２ａ）
ここで、従来では融液の温度が融点よりも高く、熱は融液側から固液界面に向かって流れるのでＱIN＞０である。結晶成長速度を大きくすれば、単位時間あたりに生じる固化潜熱ＱLの値が大きくなるので、ＱOUTの値を大きくする必要がある。ＱOUT値を大きくするためには結晶の縦方向の温度勾配を大きくする必要があるので、結晶内部に大きな熱応力が生じて転位密度が増大する。
【００１６】
本発明では、融液の少なくとも一部を過冷却状態にする。このような過冷却融液の温度は融点よりも低いので、固液界面近傍から熱を取り去るように作用する。すなわち、本発明の方法においては、固液界面から流出する熱流束として、結晶側へ流出する熱流束ＱOUT(SOLID)＞０の他に、融液側へ流出する熱流束ＱOUT(LIQUID)＞０が存在する。固液界面では固化潜熱ＱLが発生するから、固液界面近傍では、下記式（３）のような熱バランスが成り立つ。
ＱR ＝ ＱOUT(SOLID) ＋ ＱOUT(LIQUID)− ＱL             （３）
安定した固液界面形状を実現するための条件は、下記（４）式のようになる。
ＱR ＝ ＱOUT(SOLID) ＋ ＱOUT(LIQUID)− ＱL ＞ ０        （４）
式（４）を変形して得られる下記（４ａ）式が、適正な固液界面形状を維持するための必要条件である。
ＱOUT(SOLID) ＋ ＱOUT(LIQUID) ＞ ＱL                 （４ａ）
式（２ａ）と式（４ａ）の比較から明らかなように、従来の方法では固化潜熱を結晶側へ奪うだけであったが、本発明の方法では固化潜熱を結晶側のみならず融液側にも奪うことができる。融液の熱伝導率は結晶の熱伝導率より数倍大きいうえ、自然対流や強制対流によって熱が効率良く低温部へ運ばれ得るので、結晶側よりもはるかに大きな放熱効果が得られる。本発明では、このような融液側への効果的な放熱効果を利用することによって、結晶側への熱流束ＱOUT(SOLID)を小さく抑えることができるので、従来の方法よりもはるかに小さな温度勾配の下で結晶成長させ得ると考えられる。実際の熱流束バランスはもっと複雑であり、式（１）、（２）、（２ａ）、（３）、（４）、および（４ａ）のような簡易な式で表現することはできなが、定性的には以上のように説明することができる。
【００１７】
また、このような融液側への大きな放熱効果を利用することによって、従来の常識では考えられなかった大きな結晶成長速度においても、適正な固液界面形状を維持しながら高品質の結晶を成長させることが可能になった。さらに、従来法では不可能と考えられていた直径２００ｍｍの超大型の化合物半導体結晶に関しても、低転位密度化や成長速度の高速化が可能なことが明らかになった。
【００１８】
ところで、特許文献２には融液内の対流を抑制する方法が提案されており、その段落［００１１］内の第１３行から第１７行には「固液界面位置制御用ヒータ１と融液形成用ヒータ２との間には、寸法ｌ＝約２０ｍｍの隙間１４が設けてあり、温度分布の谷ＴL（＝約１２３３〜１２３７℃）を形成している。」と記載されており、その図１にはその概念図が示されている。このように、特許文献２にはあたかもＧａＡｓ融液の温度を融点（ｍ．ｐ．＝１２３８℃）以下にしているかのような記載があるが、これはそのような意味ではない。特許文献２の一部の記載を以下に引用する。
【００１９】
「［０００３］［発明が解決しようとする課題］前述したように従来の垂直ブリッジマン法は、固液界面部１０より上部の高温域２１の温度分布は固液界面１０より除々に温度が高くなる分布を使用しているため、融液６の対流（矢印で示す）が固液界面１０位置まで影響を及ぼす。従って、図３（Ｂ）に示すように固液界面形状９は、種結晶８の反対の融液方向（矢印ａ）に対し凹面になりがちであった。その結果、（１）坩堝壁から欠陥を取込みやすく単結晶収率が悪い、（２）成長速度を遅くさせざるをえない（たとえば１〜３ｍｍ／ｈ）、という欠点があった。」、「［０００４］本発明の目的は、融液の対流が固液界面に影響を及ぼすのを防ぐバッファゾーンを設けることによって、前記した従来技術の欠点を解消し、・・・」、「［０００９］［作用］界面加熱部と高温加熱部との間を広げるなどして、これらの間に温度分布の谷を形成する隙間や冷却手段を設けると、融液内の対流が上下で遮断され、しかも温度勾配が０℃／ｃｍとなることにより、固液界面形状が融液方向に凸になり、単結晶収率が向上する。これは、従来は凸にするために成長速度を抑えていたことから、実質的には成長速度が速くなることを意味する。［００１０］温度分布の谷部と固液界面との距離ＬをＬ≧０．５ｄとしたのは、Ｌ＜０．５ｄの場合は温度分布の谷部を設けても、融液の対流が固液界面まで達してしまうため、有効ではないからである。また、Ｌ≦２ｄとしたのは、Ｌ＞２ｄの場合は、融液の高さが高すぎるため、その間の融液の軸方向の温度匂配を０℃／ｃｍに保つのは難しくなり、温度の谷部と固液界面の中間部で新たな対流を形成したり、温度の谷部の温度を下げすぎて、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなるからである。好ましくは、実用的に安定しているＬ＝約ｄとするのがよい。・・・」
以上の記載から明らかなように、特許文献２では、融液を過冷却にすることが提案されているわけではない。特許文献２、段落［００１０］、第８行から第１０行の「・・・温度の谷部の温度を下げすぎて、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなるからである。・・・」という記載は明らかに、「融液の温度を下げすぎると、融液の温度が融点よりも低くなって、その部分で融液が固化してしまうという様な不具合の発生する確率が高くなる。」と述べているのである。
【００２０】
さらに、特許文献２におけるＴLがヒータの温度であることは、その図１において炉内温度分布１８（図１（Ｂ））がヒータの長さ分だけ示されていること、すなわち種結晶８よりも下側の空間部分にも温度分布が示されていることからも明らかである。このように、ヒータの温度を部分的に融点以下にしても、融液の温度は融点以下になるわけではない。坩堝４の設置された部分の温度は、温度の高い部分からの強い輻射熱を受けるので、融点よりも高い温度になるのが一般的である。
【００２１】
特許文献２のＴLの温度ついて、その段落［００１１］の実施例１において「Ｌ＝約ｄ」（段落［００１１］中の最終行）の場合に、段落［００１１］中の第１６行に「谷ＴL（＝約１２３３〜１２３７℃）」と記載されているものの、段落［００１４］の実施例３では「Ｌ＝約２ｄにした以外は、実施例１と同一条件で成長を行った。その結果、ＴLの温度を１２３７℃近辺にしないと、その付近の融液が固化しやすく、成長の継続が困難になることが多かった。そのため、ＴLを１２３８〜１２３９℃に上げて成長を行ったところ、今度は融液の対流が大きくなり、成長条件が不安定になることがわかった。但し、ＴL＝約１２３７℃で融液が固化しなかった場合は単結晶が得られた。・・・」と記載され、ＴL＝約１２３７℃でも融液の固化が起こることが述べられている。特許文献２、段落［００１１］、第１１行に「融点（ｍ．ｐ．＝１２３８℃）」と記載されているので、「ＴL＝約１２３７℃」は融点よりも１℃低いだけである。図１（Ｂ）のヒータの温度分布の谷部を１２３７℃近辺に設定した場合、融液の温度が１２３８℃以上になるというのは、当業者の常識である。このような事実と、特許文献２、段落［００１４］、第２行から第３行における「その結果、ＴLの温度を１２３７℃近辺にしないと、その付近の融液が固化しやすく、成長の継続が困難になることが多かった。」という記載を考慮すれば、特許文献２は、融液を融点以下の温度にすれば融液が固化して単結晶が得られなくなるので「融液を融点以下の温度にしてはならない。」と考えていることが明白である。
【００２２】
他方、本発明では、縦型の単結晶成長用容器に種結晶と原料を収容し、加熱手段によって原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製し、種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させる。また本発明では、原料融液の最上部を融点より低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって結晶成長を進行させることができる。このように融液の最上部で冷却された温度の低い融液は対流によって運ばれて融液側へ流出する熱流束ＱOUT(LIQUID)を増加させ、固化潜熱ＱLを効果的に奪う。ただし、融液の深さが非常に大きい場合には、融液対流が乱れて結晶成長が不安定になる場合が考えられる。そこで、本発明では、原料融液の温度がほぼ均一になるような温度分布を形成して、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させる。このように、融液の温度をほぼ均一にすることによって、深い融液においても、安定した結晶成長を実現することができる。
【００２３】
本発明の方法では、融液の温度の融点からの降下量が大きいほど、すなわち過冷却度が大きいほど、融液側へ流出する熱流束ＱOUT(LIQUID)を大きくすることができるので、より大きな効果が得られる。好ましくは原料融液の少なくとも一部を融点より１０℃以上、より好ましくは３０℃以上、さらに好ましくは５０℃以上低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させる。
【００２４】
このように、原料融液を過冷却状態にする一方で、固体と液体の界面近傍をヒータなどで加熱することによって、固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持し、それよりも上部に位置する融液の温度を融点よりも低温にして、種結晶の未融解部分から融液側に向かって固化を進行させるのが好ましい。融液が固化する際に潜熱が発生するが、結晶側へ流出する熱流束ＱOUT(SOLID)と融液側へ流出する熱流束ＱOUT(LIQUID)との和ＱOUT(SOLID)＋ＱOUT(LIQUID)があまりにも大きければ、固化速度が大きくなり過ぎて短時間に過剰に大きな固化潜熱が発生し、融液内の温度分布が不均一になって結晶成長を不安定にすることが考えられる。そこで、固体と液体の界面近傍をヒータで加熱して固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持することによって、固液界面近傍の温度分布を適正に保って安定した固液界面形状と成長速度を維持しながら結晶成長させることが可能になる。
【００２５】
ヒータによって加熱される坩堝外壁面の温度が融点温度以下であっても、固化潜熱が発生するので、固体に接触する融液の温度を融点よりも高温に保持しすることが可能である。しかし、このような温度分布を安定して実現するためには、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱するのが好ましい。一方、融点よりも温度の低い融液の体積が大きいほど大きな過冷却効果が得られるので、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱する領域は必要最小限にすることが好ましい。その領域は、具体的には縦型結晶成長用容器の上下方向に１２０ｍｍ以下にすることが好ましく、６０ｍｍ以下にすることがより好ましい。
【００２６】
また、種結晶と原料を収容した縦型の単結晶成長用容器を加熱手段に対して相対的に下方に移動させることによって、下方から上方に向かって固化を進行させることが好ましい。このようにすれば、固液界面近傍の温度分布を安定に維持することができるので、安定した固液界面形状と成長速度を維持しながら結晶を育成することができる。
【００２７】
本発明の方法は、直径５０ｍｍよりも大きな胴部を有する単結晶の成長において特に有効である。すなわち、単結晶の胴部の直径が大きいほど成長中の単位時間当たりに発生する固化潜熱量が大きくなるので、融液側にも放熱させることによって全体として大きな放熱量が得られる本発明の方法が従来法に比べて特に効果的となる。また、本発明を適用することにより、従来法では不可能と考えられていた５ｍｍ／ｈよりも大きな結晶成長速度（すなわち、固液界面の移動速度）で結晶胴部の成長を行わせることができる。さらに、本発明では、１０ｍｍ／ｈよりも大きな速度で結晶胴部を成長させる場合にも、良好な特性を有する単結晶が得られる。
【００２８】
通常では、種結晶の断面積は、育成予定の単結晶の胴部断面積の０．５〜５％程度である。このように断面積の小さな種結晶を用いる理由は、種結晶にかかるコストをできるだけ少なくするためである。種結晶は、通常では単結晶の胴部から切断して採取される。直径の小さい種結晶の方が直径の大きな種結晶よりも多数本採取できるので、種結晶１本当たりのコストが少なくて済む。しかし、このように小さな種結晶から増径させて太い胴部を有する結晶を育成する場合、増径部では結晶成長が進むにしたがって単位時間当たりに発生する固化潜熱の量が増加していく。このとき、安定した固液界面形状や成長速度を維持しながら結晶を育成するためには、固化潜熱発生量の増加に合わせて放熱量を増加させる必要がある。このような複雑な放熱量の制御は再現性に乏しいので、結晶を製造する際に大きな問題となる。５ｍｍ／ｈよりも大きな速度、特に１０ｍｍ／ｈよりも大きな速度で結晶成長させようとすれば、固化潜熱の時間変化量は非常に大きなものになる。したがって、本発明の方法では、種結晶が育成単結晶胴部の２５％以上の断面積を有することが好ましく、５０％以上の断面積を有することがより好ましく、７５％以上の断面積を有することがさらに好ましい。
【００２９】
また、種結晶から育成単結晶胴部に至る増径部の結晶中心軸に対する傾斜角は３０°以下が好ましく、２２．５°以下がより好ましく、１５°以下がさらに好ましい。このように増径部の傾斜角を小さくすれば、ウエハ製品を採取できる単結晶胴部に至るまでの成長時間が長くなるうえに、ウエハ製品径に満たない部分の割合が大きくなり、ウエハ製品の収率が低下する。そこで、断面積の大きな種結晶を用いれば、増径部の傾斜角を小さくした場合でも単結晶胴部に至るまでの成長時間を短くでき、ウエハ製品径に満たない部分の割合も小さくできる。このように、種結晶から育成結晶胴部にかけての直径変化を緩やかにすることによって、固化潜熱の変化量を小さく抑えることが可能になり、５ｍｍ／ｈまたは１０ｍｍ／ｈよりも大きな成長速度においても、安定した固液界面形状や成長速度を維持しながら結晶を育成することが可能になる。
【００３０】
また本発明の方法では、結晶側への熱流束ＱOUT(SOLID)を小さく抑えることができるので、従来法よりもはるかに小さな温度勾配下で結晶を成長させることができる。より具体的には、坩堝外壁面における結晶成長軸方向、すなわち縦方向の温度勾配を、好ましくは５℃／ｃｍ未満、より好ましくは３．５℃／ｃｍ未満、さらに好ましくは２℃／ｃｍ未満にして育成単結晶胴部の固化を進行させる。また、結晶成長の開始から終了まで、育成した単結晶の温度を絶対温度における融点温度の０．８４倍、より好ましくは０．８９倍、さらに好ましくは０．９４倍よりも高温に維持することが好ましい。このように、単結晶胴部成長時の坩堝外壁面における成長軸方向の温度勾配を小さくすることによって、また、結晶成長の開始から終了まで、育成した単結晶の温度を所定の温度以上に保持することによって、結晶成長中の熱応力の発生を抑制することができ、特にウエハ製品採取部分に相当する単結晶胴部の転位密度を低減させることが可能になる。
【００３１】
また、縦型の単結晶成長用容器は熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）製であることが好ましく、その容器と融液との間に酸化ホウ素の被膜が介挿されていることが好ましい。前述のように、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）製容器の壁面には結晶核が発生し難く、またその容器と融液の間に酸化ホウ素の被膜が介挿されていればその容器壁面にさらに結晶核が発生しにくくなる。そして、融液を過冷却にした際に新たな結晶核が発生することを確実に防ぐことができるので、本発明の方法を確実に行うことができるようになる。単結晶成長用容器と融液との間に酸化ホウ素の被膜を介挿させるためには、その容器に種結晶と原料と共に固形の酸化ホウ素を収容してもよいが、種結晶と原料を収容するに先だって、容器内壁のうちで少なくとも融液と接触すると予定される部分に酸化ホウ素の被膜を形成しておけばより効果的である。
【００３２】
本発明の方法は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）などの化合物半導体単結晶の育成に適用する場合に特に効果的である。一般に、これらの化合物半導体の結晶は熱伝導率が小さいので、結晶側への放熱量を大きくすることができない。また、比較的容易に無転位結晶が得られるシリコン（Ｓｉ）に比べて、化合物半導体結晶は塑性変形し易い。したがって、従来の方法では化合物半導体単結晶の成長速度の増加や低転位密度化を実現することが著しく困難であり、本発明の方法が有効となる。また、これらの化合物半導体の融液は過冷却度を大きくしても固化相が生じにくいので、本発明の方法を実施する対象として適している。
【００３３】
また本発明では、化合物半導体の種結晶と原料を収容するための縦型の単結晶成長用容器と、原料と種結晶の一部を融解して実質的に化学量論組成に調整した原料融液を作製するための加熱手段とを備えていて、種結晶の未融解部分から原料融液側に向けて結晶成長させる化合物半導体単結晶の製造装置において、相対的に上方に配置された第一のヒータと相対的に下方に配置された第二のヒータを少なくとも含み、第一のヒータの温度を第二のヒータの温度よりも低くすることによって、原料融液の少なくとも一部を融液状態に保ったまま融点より低温にして、下方から上方に向かって結晶成長を進行させ得る化合物半導体単結晶の製造装置を提案する。このような装置によって、原料融液を過冷却状態にすることが容易になる。
【００３４】
このような装置においては、下方に配置された温度の高いヒータによって加熱された炉内の高温ガスが上昇気流となって、上方に配置された温度の低いヒータ近傍の温度を上昇させたり、温度の揺らぎを生じさせる場合がある。反対に、上方に配置されたヒータ近傍の温度の低いガスが下降気流となって、温度の高いヒータ近傍の温度を低下させて、大きな温度の揺らぎを生じさせる場合がある。このように、下方に温度の高いヒータを配置して上方に温度の低いヒータを配置する場合、所望の温度分布を実現することがむずかしい場合がある。また、強いガス対流によって大きな温度揺らぎが生じるので、結晶や融液の温度を安定させることがむずかしい場合がある。さらに、上方の過冷却領域が下方の高温領域からの輻射によって加熱されるので、過冷却を実現することがむずかしい場合がある。
【００３５】
そこで、下方に配置されて温度を高く設定された第二のヒータと、上方に配置されていてその第二のヒータよりも温度を低くされた第一のヒータとの間に、少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板を配置することが好ましい。このように、第一のヒータと第二のヒータとの間に熱遮蔽板または断熱板を設けることによって、輻射による高温部と低温部の熱的な干渉を抑制することができる。また、ガス対流も抑制されるので温度揺らぎが小さくなり、過冷却状態を再現性よく実現できるようになる。第一のヒータのさらに上方に、少なくとも１つのヒータを配置することにより、融液温度をさらに精密に制御することが可能になる。その結果、過冷却状態をさらに再現性良く実現することができるだけでなく、その温度分布を制御することによって、過冷却融液の対流を抑制することができる。
【００３６】
また、第二のヒータの下方にその第二のヒータよりも温度を低く設定した第三のヒータを配置することが好ましく、第二のヒータと第三のヒータとの間に少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板を配置することがより好ましい。さらに、第三のヒータのさらに下方に、少なくとも１つのヒータを配置することがさらに好ましい。このように、結晶側に第二のヒータよりも温度を低く設定した第三のヒータとさらにその下方に少なくとも１つのヒータを配置し、第二のヒータと第三のヒータとの間に少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板を配置することによって、結晶側の温度分布を精密に制御することができる。その結果、結晶に発生する熱応力を低減して、低転位密度の結晶を育成することが容易になる。
【００３７】
高温部を形成する第二のヒータは複数のサブヒータによって構成されるのが好ましく、各サブヒータ間に少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板を配置することがより好ましい。第二のヒータによって形成される高温部の温度分布は、結晶の品質を左右する固液界面形状に大きく影響する。このように、高温部を形成する第二のヒータを複数のサブヒータによって構成し、さらに各サブヒータ間に少なくとも１つの熱遮蔽板または断熱板を配置することによって、高温部の温度分布を精密に制御することが容易になる。その結果、固液界面の形状を精密に制御することが可能になり、成長速度の増加や低転位密度化に対してより大きな効果が得られる。
【００３８】
本発明では、１００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、５×１０16ｃｍ-3以上で５×１０17ｃｍ-3未満のシリコン濃度とを有するｎ型ヒ化ガリウム基板を提供する。ｎ型の電気伝導性を有するヒ化ガリウム基板には、所望の電気特性に制御するためのドーパントとしてシリコンが添加される。ｎ型ヒ化ガリウム基板は、主にＬＥＤやＬＤなどの光デバイスに用いられる。光デバイスでは転位がデバイスの特性に悪影響を及ぼすので、低転位密度であることが必要とされている。ヒ化ガリウム結晶にシリコンを添加すれば、その固溶強化作用によってヒ化ガリウム結晶の転位密度が減少する。しかし、５×１０17ｃｍ-3未満の低いシリコン濃度の場合には固溶強化の効果が充分に得られず、従来では平均転位密度が１００ｃｍ-2未満の低転位密度のヒ化ガリウム結晶を育成することは困難であった。
【００３９】
本発明では、融液を過冷却状態にしてヒ化ガリウム結晶を育成することにより、５×１０17ｃｍ-3未満の低シリコン濃度においても、平均転位密度が１００ｃｍ-2未満、より精密に制御された条件では５０ｃｍ-2未満の低転位密度のｎ型ヒ化ガリウム基板が得られる。低転位密度化がより困難な直径１００ｍｍ以上さらには直径１２５ｍｍ以上の大口径基板においても、５×１０17ｃｍ-3未満の低シリコン濃度で、平均転位密度が１００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５０ｃｍ-2未満、最も良好なものでは１０ｃｍ-2未満の非常に転位密度の低いｎ型ヒ化ガリウム基板が得られる。
【００４０】
融液を過冷却状態にしてリン化インジウム結晶を育成する場合、３×１０18ｃｍ-3未満の低硫黄濃度においても、平均転位密度が１００ｃｍ-2未満、より精密に制御された条件では５０ｃｍ-2未満の低転位密度のｎ型リン化インジウム基板が得られる。低転位密度化がより困難な直径１００ｍｍ以上さらには直径１２５ｍｍ以上の大口径基板においても、３×１０18ｃｍ-3未満の低硫黄濃度で、平均転位密度が１００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５０ｃｍ-2未満、最も良好なものでは１０ｃｍ-2未満の非常に転位密度の低いｎ型リン化インジウム基板が得られる。
【００４１】
本発明者は、このようにして得られる低転位密度のｎ型ヒ化ガリウム基板やｎ型リン化インジウム基板を光デバイス用基板として用いることにより、従来法で得られた結晶では予想し得なかった良好なデバイス特性が得られるだけでなく、高い歩留りが安定して得られることを見出した。これは、低転位密度化によるデバイス特性への直接的な影響だけでなく、融液を過冷却状態にして育成した結晶固有の特性、特にミクロな特性の変化が寄与するためと考えられる。
【００４２】
本発明はさらに、１０００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、５×１０16ｃｍ-3未満のシリコン濃度と、１×１０3Ωｃｍ以上の比抵抗とを有する半絶縁性ヒ化ガリウム基板を提供する。比抵抗が１×１０3Ωｃｍ以上の半絶縁性ヒ化ガリウム基板には、電気特性を制御するためのドーパントとして一般にクロムまたはカーボンが極微量添加される。これらのドーパントをヒ化ガリウム結晶に添加しても、シリコン添加の場合のように固溶強化作用によってヒ化ガリウム結晶の転位密度が顕著に減少することはない。したがって、従来では、基板面内での平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満の低転位密度結晶を育成することは困難であった。
【００４３】
本発明では、融液を過冷却状態にしてヒ化ガリウム結晶を育成することにより、平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５００ｃｍ-2未満、最も良好なものでは３００ｃｍ-2未満の低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板を得ることができる。さらに、低転位密度化が困難な直径１５０ｍｍ以上さらには直径２００ｍｍ以上の大口径基板においても、平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５００ｃｍ-2未満、最も良好なものでは３００ｃｍ-2未満の低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板を得ることができる。
【００４４】
本発明はさらに、１０００ｃｍ-2未満の平均転位密度と、１×１０3Ωｃｍ以上の比抵抗を有する半絶縁性リン化インジウム基板を提供する。比抵抗が１×１０3Ωｃｍ以上の半絶縁性リン化インジウム基板には、電気特性を制御するためのドーパントとして鉄が極微量添加される。しかし、リン化インジウム結晶に鉄を添加しても、硫黄添加の場合のように固溶強化作用によってリン化インジウム結晶の転位密度を顕著に減少させることはない。したがって、従来では平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満の低転位密度結晶を育成することは困難であった。
【００４５】
本発明では、融液を過冷却状態にしてリン化インジウム結晶を育成することにより、平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５００ｃｍ-2未満、最も良好なものでは３００ｃｍ-2未満の低転位密度で比抵抗が１×１０3Ωｃｍ以上の鉄ドープ半絶縁性リン化インジウム基板を得ることができる。さらに、低転位密度化が困難な直径１５０ｍｍ以上さらには直径２００ｍｍ以上の大口径基板においても、平均転位密度が１０００ｃｍ-2未満、さらに良好なものでは５００ｃｍ-2未満、最も良好なものでは３００ｃｍ-2未満の低転位密度で比抵抗が１×１０3Ωｃｍ以上の鉄ドープ半絶縁性リン化インジウム基板を得ることができる。
【００４６】
本発明者は、このようにして得られた低転位密度の半絶縁性ヒ化ガリウム基板や半絶縁性リン化インジウム基板を、特にＯＥＩＣ（光電子集積回路）などの光電子デバイス用基板用として用いることにより、従来法で得られた結晶からは予想し得なかった良好なデバイス特性が得られるだけでなく、高い歩留りが安定して得られることを見出した。ＯＥＩＣは、光デバイスと電子デバイスを一つのチップ上に作製したデバイスである。前述したように、転位は光デバイスの特性に悪影響を及ぼす。本発明の基板によって良好なデバイス特性と高い歩留りが得られる理由は、低転位密度化によるデバイス特性への直接的な影響だけでなく、融液を過冷却状態にして育成した結晶固有の特性、特にミクロな特性の変化が寄与するためと考えられる。このように良好なデバイス特性と高い歩留りは、カーボンを１×１０14ｃｍ-3以上添加した基板で顕著に見られた。融液を過冷却状態にして結晶を育成した結果、あるいは低転位密度化した結果、あるいはその複合的効果によって発現した結晶の特性の変化が、このように良好なデバイス特性と高い歩留りに寄与すると考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
（実施例１）
本発明の方法を、ｎ型ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）の単結晶育成に適用する。図１（Ａ）と（Ｂ）において、本発明に用いる単結晶製造装置の模式的断面図とその装置の温度分布のグラフの一例がそれぞれ示されている。結晶育成のために、上部過冷却領域を形成するためのヒータ３，４、固液界面近傍を加熱するためのヒータ５，６、および成長した結晶の温度分布をコントロールするためのヒータ７，８が設けられている。また、ヒータ４，５の間に設けられた断熱板９と、ヒータ６，７の間に設けられた断熱板１０とによって、それぞれの領域間が熱的に遮断されるよう配慮されている。さらに、固液界面近傍の温度分布を精密にコントロールするために、ヒータ５，６間に熱遮蔽板１１が設けられている。なお、ヒータ３〜８とステンレス製チャンバ１との間は断熱材２によって断熱されている。
【００４８】
図２の模式的な断面図に示すように、予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜１７ａで被覆された内径約１０５ｍｍのｐＢＮ製坩堝１４が、ステンレス製チャンバ１内で下軸１２の上部に設けた坩堝台１３上に設置される。坩堝１４の下端の種結晶収容部に直径９５ｍｍの種結晶１５を収容し、さらにその上に予備合成したヒ化ガリウム多結晶原料１６の約１５ｋｇと、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）１７の約７００ｇと、さらにドーパントとしての固体シリコン２０を収容する。この固体シリコンは高純度シリコンウエハを破砕したもので、育成されたヒ化ガリウム結晶の肩部（増径部と胴部の境界）におけるシリコンの濃度が５×１０16ｃｍ-3となるように分量を秤量して用いられる。
【００４９】
その後、速やかにステンレス製チャンバ１を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で０．５ＭＰａになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素１７が軟化融解し、ヒ化ガリウム多結晶原料１６と種結晶１５を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ３〜８の温度を調整しながら、種結晶１５の下部をその融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料１６と種結晶１５の上部を融点よりも高温に加熱して、原料融液１８を形成させる（図１（Ａ）参照）。この状態に一定時間保持することによって、原料融液の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ３と４の温度をゆっくり降下させて、坩堝１４の外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約６０ｍｍの領域となるように（図１（Ｂ）参照）、また、融液の温度が約３０℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して過冷却融液を形成させる。その後、下軸１２を３ｒｐｍで回転させながら５．５ｍｍ/ｈの速度で下降させることによって、直径約１０５ｍｍのシリコンドープヒ化ガリウム単結晶１９を成長させる（図１（Ａ）参照）。この時の坩堝１４の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は１．５℃／ｃｍである。
【００５０】
図３において、このようにして育成された単結晶の外観と、各部の名称が示されている。単結晶の肩部から、シリコン濃度が５×１０16ｃｍ-3で平均転位密度が約９０ｃｍ-2のｎ型ヒ化ガリウム基板が得られる。また、同じ結晶の尾部から、シリコン濃度が１×１０17ｃｍ-3で平均転位密度が約４０ｃｍ-2のｎ型ヒ化ガリウム基板が得られる。
【００５１】
（実施例２）
実施例２においては、図４に示すように実施例１と同様の装置を用いて、半絶縁性ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）の単結晶を育成する。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜１７ａで被覆された内径約１５５ｍｍのｐＢＮ製坩堝３４をステンレス製チャンバ２１内で下軸３２の上部に設けられた坩堝台３３上に設置する。坩堝３４の下端の種結晶収容部に直径１４５ｍｍの種結晶３５を収容し、さらにその上に予備合成したヒ化ガリウム多結晶原料の約３０ｋｇと、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）３７の約１５００ｇと、ドーパントとしての固体カーボン（図示せず）とを収容する。この固体カーボンは、育成されたヒ化ガリウム結晶の肩部におけるカーボンの濃度が５×１０15ｃｍ-3となるように分量を秤量して用いられる。
【００５２】
その後、速やかにステンレス製チャンバ２１を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で０．５ＭＰａになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素３７が軟化融解し、ヒ化ガリウム多結晶原料と種結晶３５を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ２３〜２８の温度を調整しながら、種結晶３５の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶３５の上部を融点よりも高温に加熱して、原料融液３８を形成させる。さらにこの状態に一定時間保持することによって、原料融液３８の組成と温度を安定化させ、その後ヒータ２３と２４の温度をゆっくり降下させて、坩堝３４の外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約６０ｍｍの領域となるように、また融液の温度が約１０℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して、過冷却融液を形成させる。その後、下軸３２を３ｒｐｍで回転しながら８ｍｍ/ｈの速度で下降させることによって、直径約１５５ｍｍの半絶縁性ヒ化ガリウム単結晶３９を成長させる。この場合の坩堝外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、４．５℃／ｃｍである。
【００５３】
このようにして得られるヒ化ガリウム単結晶から、カーボン濃度が５×１０15ｃｍ-3で、平均転位密度が約９００ｃｍ-2の低転位密度基板が得られる。なお、この結晶の不純物シリコンの濃度は５×１０15ｃｍ-3未満であり、低転位密度化には寄与していない。
【００５４】
（実施例３）
実施例３においては、図５に示すように実施例１と同様の装置を用いて、ｎ型リン化インジウム（ＩｎＰ）の単結晶を成長させる。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜１７ａで被覆された内径約１０５ｍｍのｐＢＮ製坩堝５４をステンレス製のチャンバ４１内で下軸５２の上部に設けられた坩堝台５３上に設置する。坩堝５４の下端の種結晶収容部に直径７０ｍｍの種結晶５５を収容し、さらにその上に予備合成したリン化インジウム多結晶原料の約１０ｋｇと、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）５７の約７００ｇと、ドーパントとしての硫化インジウム（図示せず）とを収容する。この硫化インジウムは、育成されたリン化インジウム結晶の肩部における硫黄の濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように分量を秤量して用いられる。
【００５５】
その後、速やかにステンレス製チャンバ４１を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶育成時の圧力がゲージ圧で５ＭＰａになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素５７が軟化融解し、リン化インジウム多結晶原料と種結晶５５を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ４３〜４８の温度を調整しながら、種結晶の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶５５の上部を融点よりも高温に加熱し、原料融液５８を形成させる。さらに、この状態に一定時間保持することによって原料融液５８の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ４３と４４の温度をゆっくり降下させて、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が上下方向に約１２０ｍｍの領域となるように、また融液の温度が約４０℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して、過冷却融液を形成させる。その後、下軸５２を１０．５ｍｍ/ｈの速度で下降させることによって、直径約１０５ｍｍのｎ型リン化インジウム単結晶５９を成長させる。この場合に、坩堝５４の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、２．０℃／ｃｍである。
【００５６】
このようにして得られるリン化インジウム単結晶の肩部から、硫黄濃度が１×１０18ｃｍ-3で平均転位密度が約８０ｃｍ-2の低転位密度基板が得られる。
【００５７】
（実施例４）
実施例４では、図６に示すように実施例１と同様の装置を用いて、半絶縁性リン化インジウム（ＩｎＰ）の単結晶を育成する。予め酸化処理によって内表面が酸化ホウ素膜１７ａで被覆された内径約１５５ｍｍのｐＢＮ製坩堝７４をステンレス製のチャンバ６１内で下軸７２の上部に設けられた坩堝台７３上に設置する。坩堝７４の下端の種結晶収容部に直径１１０ｍｍの種結晶７５を収容し、さらにその上に予備合成したリン化インジウム多結晶原料の約２０ｋｇと、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）７７の約１５００ｇと、ドーパントとしての高純度鉄（図示せず）とを収容する。この高純度鉄は、育成されたリン化インジウム結晶の肩部における鉄の濃度が１×１０16ｃｍ-3となるように分量を秤量して用いられる。
【００５８】
その後、速やかにステンレス製チャンバ６１を密閉し、チャンバ内部を真空ポンプで排気する。その後、結晶成長時の圧力がゲージ圧で５ＭＰａになるようにチャンバ内に窒素ガスを導入し、ヒータの温度を上昇させて加熱を行う。加熱昇温の過程で、まず酸化ホウ素７７が軟化融解し、リン化インジウム多結晶原料と種結晶７５を完全に封止する。その後さらに昇温を続け、ヒータ６３〜６８の温度を調整しながら、種結晶の下部を融点以下の温度に保持する一方で、多結晶原料と種結晶７７の上部を融点よりも高温に加熱して原料融液７８を形成させる。さらに、この状態に一定時間保持することによって原料融液７８の組成と温度を安定化させ、その後にヒータ６３と６４の温度をゆっくり降下させて、坩堝外壁面を融点以上の温度に加熱した領域が、上下方向に約１２０ｍｍの領域となるように、また融液の温度が約５０℃だけ融点よりも低温になるように温度分布を調整して過冷却融液を形成させる。その後、下軸７２を１０．５ｍｍ/ｈの速度で下降させることによって、直径約１５５ｍｍの半絶縁性リン化インジウム単結晶７９を成長させる。この場合に、坩堝７４の外壁面における結晶成長軸方向の温度勾配は、３．０℃／ｃｍである。
【００５９】
このようにして得られるリン化インジウム単結晶の肩部から、鉄濃度が１×１０16ｃｍ-3で、平均転位密度が約６００ｃｍ-2の低転位密度基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】（Ａ）は本発明におけるｎ型ヒ化ガリウム単結晶を製造する装置一例の模式的な断面図であり、（Ｂ）はその装置の坩堝外壁における温度分布の一例を示すグラフである。
【図２】実施例１の方法において、ヒ化ガリウム多結晶原料、酸化ホウ素、及びドーパント（固体シリコン）をｐＢＮ製坩堝に収容する方法の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】実施例１の方法で育成した単結晶の外観と各部の名称を示す模式的な正面図である。
【図４】実施例２において、半絶縁性ヒ化ガリウム単結晶を製造する装置の一例を示す模式的断面図である。
【図５】実施例３において、ｎ型リン化インジウム単結晶を製造する装置の一例を示す模式的断面図である。
【図６】実施例４において、半絶縁性リン化インジウム単結晶を製造する装置のの一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  ステンレス製チャンバ、２  断熱材、３、４、５、６、７、８  ヒータ、９、１０  断熱板、１１  熱遮蔽板、１２  下軸、１３  坩堝台、１４  ｐＢＮ製坩堝、１５  種結晶、１６  ヒ化ガリウム多結晶原料、１７  酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、１７ａ  酸化ホウ素膜、１８  原料融液、１９  ヒ化ガリウム単結晶、２０  固体シリコン、２１  ステンレス製チャンバ、２２  断熱材、２３、２４、２５、２６、２７、２８  ヒータ、２９、３０  断熱板、３１  熱遮蔽板、３２  下軸、３３  坩堝台、３４  ｐＢＮ製坩堝、３５  種結晶、３７  酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、３８  原料融液、３９  ヒ化ガリウム単結晶、４１  ステンレス製チャンバ、４２  断熱材、４３、４４、４５、４６、４７、４８  ヒータ、４９、５０  断熱板、５１  熱遮蔽板、５２  下軸、５３  坩堝台、５４  ｐＢＮ製坩堝、５５  種結晶、５７  酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、５８  原料融液、５９  リン化インジウム単結晶、６１  ステンレス製チャンバ、６２  断熱材、６３、６４、６５、６６、６７、６８  ヒータ、６９、７０  断熱板、７１  熱遮蔽板、７２  下軸、７３  坩堝台、７４  ｐＢＮ製坩堝、７５  種結晶、７７  酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、７８  原料融液、７９  リン化インジウム単結晶。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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